33 Электромагнитная природа света. Развитие взглядов на природу света: в начале существовало 2ве теории: 1) т. Ньютона (корпускулярная): свет-это поток частиц идущих от источника во все стороны (перенос в-ва); 2)т. Гейгенса (волновая): свет- это волны, распространяющиеся в особой ,гипотетической среде-эфире, заполняющем все пространство и проникающий во внутрь всех тел. В ИТОГЕ ОКАЗАЛОСЬ: (КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ СВЕТА) свет- это электромагнитное излучение, кот. при поглощении и излучении проявляет св-ва частиц, а при распространение – св-ва волн, в реальности свет-это не то и не другое, это что-то третье.
Электромагнитная природа света. Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Максвеллом (1862 1864) как прямое следствие из уравнений электромагнитного поля. Скорость электромагнитных волн в вакууме оказалась равной величине 1/ √ε0μ0, называемой в то время электродинамической постоянной. Ее числовое значение (3,1*108 м/с) было получено несколько раньше (1856) из электромагнитных измерений В. Е. Вебера (1804 – 1891) и Р. Г. Кольрауша (1809 1858). Оно почти совпадало со скоростью света в вакууме, равной, по измерениям И. Л. Физо (1819 – 1896) в 1849 г., с= 3,15*108 м/с. Другое важное совпадение в свойствах электромагнитных волн и света обусловлено поперечностью волн. Поперечность электромагнитных волн следует из уравнений Максвелла, а поперечность световых волн – из экспериментов по поляризации света (Юнг, 1817). Эти два факта привели Максвелла к заключению, что свет представляет собой электромагнитные волны.
Скорость света с в вакууме – одна из важнейших мировых констант. Согласно современным представлениям, выдающееся значение этой универсальной постоянной обусловлено тем, что она определяет предельную скорость распространения любых взаимодействий и сигналов, любых силовых полей независимо от их физической природы. Эта скорость одинакова во всех системах отсчета и обусловлена структурой пространства и времени, а не конкретным видом носителя сигнала – электромагнитными волнами. В частности, она определяет и скорость гравитационных волн в вакууме.
Уравнения Максвелла и волновое уравнение. Уравнения Максвелла для вакуума при отсутствии токов(j=0) и зарядов (q =0) имеют следующий вид:
где ε0 и μ0 – соответственно электрическая и магнитная постоянные.
Волновые уравнения.
Световой поток Ф определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению. Единица светового потока – люмен, (лм): 1 лм – световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1 кд внутри телесного угла в 1 ср (при равномерности поля излучения внутри телесного угла) (1 лм=1 кд ср).
Интенсивность: Поток излучения Фσ – это мощность излучения, переносимого электромагнитными волнами через некоторую поверхность σ, усредненная за промежуток времени, значительно превышающий период колебаний. Единица потока излучения – ватт (Вт). Поток излучения через поверхность σ связан с интенсивностью (S) (средней по времени поверхностной плотностью потока энергии) соотношением Фσ=инт.поσ(S)dσ.
Излучение диполя. Диполь. Диполем называется система двух одинаковых по величине разноимённых точечных зарядов (+Q,-Q), расстояние L между которыми значительно меньше расстояния до тех точек в которых определяется поле системы.
Э лектроны, попадающие в электрическое поле электромагнитной волны, совершают колебательное движение с частотой волны. Колеблющийся электрон сам является излучателем. Его излучение рассеянное. Таким образом, моделью элементарного классического рассеивателя света является элементарный классический излучатель – электрический диполь, находящийся в поле электромагнитной волны.
Св-ва эл.магн волн. Основным св-вом всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.
И нтерференция световых волн. При наложении двух (или нескольких) когернетных световых волн происходит прстранственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности.
Принцип суперпозиции. Если среда, в которой распространяется одновременно несколько волн, линейна, т. е. ее свойства не изменяются под действием возмущений, создаваемых волной, то к ним применим принцип суперпозиции (наложения) волн: при распространении в линейной среде нескольких волн каждая из них распространяется так, как будто другие волны отсутствуют, а результирующее смещение частицы среды в любой момент времени равно геометрической сумме смещений, которые получают частицы, участвуя в каждом из слагающих волновых процессов.
Когерентность – согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных процессов.
Монохроматические волны – неограниченные в пространстве волны одной строго определённой частоты.
2
Волновым цугом называется прерывистое излучение света атомами в виде отдельных коротких импульсов.
Время когерентности – средняя продолжительность одного цуга.
Длина когерентности – расстояние при прохождении которого две или несколько волн утрачивают когерентность.
Интерференцией света – называется пространственное перераспределение светового потока в результате чего в одних местах возникают максимумы а в других минимумы интенсивности.
Метод разделения волны излучаемой одним источником.
разность фаз колебаний
максимумы = m , = 2 m
минимумы = (2m+1)/2, =(2m+1)
Расчёт интерференции от двух источников.
Опыт Юнга
И сточником света служит ярко освещенная щель S (рис.), от которой световая волна падает на две, узкие равноудаленные щели S1 и S2, параллельные щели S. Таким образом, щели S1 и S2, играют роль когерентных источников. Интерференционная картина (область ВС) наблюдается на экране (Э), расположенном на некотором расстоянии параллельно S1 и S2. Юнгу принадлежит первое наблюдение явления интерференции.
Оптическая длина пути. Произведение геометрической длины s пути световой волны в данной среде на показатель n преломления этой среды называется оптической длиной пути L, а Δ=L2-L1, – разность оптических длин проходимых волнами путей – называется оптической разностью хода.
Способы получения интерференционных картин 1) метод деления волнового фронта, 2)метод деления амплитудного фронта.
1)Простейший способ деления волнового фронта изображён на рис. Щели А1 и А2 в соответствии с принципом Гюйгенса могут рассматриваться как источники волн. Эти источники волн порождаются одной и той же первичной волной и поэтому взаимно когерентны. Между порожденными ими волнами наблюдается интерференция.
Зеркала Френеля Свет от источника S (рис. 246) падает расходящимся пучком на два плоских зеркала А1О и А2О, расположенных относительно друг друга под углом, лишь немного, отличающимся от 180' (угол φ мал). Учитывая правила построения изображения в плоских зеркалах, можно показать, что и источник, и его изображения S1 и S2 (угловое расстояние между которыми равно 2φ) лежат на одной и той же окружности радиуса r с центром в О (точка соприкосновения зеркал). Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S1 и S2 , являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах. Мнимые источники S1 и S2 взаимно когерентны, и исходящие из них световые пучки, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрывания.
Бипризма Френеля Она состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S (рис. 247) преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как-бы исходящие из мнимых источников S1 и S2, являющихся когерентными. Таким образом, на поверхности экрана (в области, выполненной в цвете) происходит наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция.
Билинз Френеля у линзы вырезают середину и две половинки соединяют вместе.
2) На рис. 96 изображена схема интерферометра Майкельсона, с помощью которого осуществляется интерференция делением амплитуды волны. Волна, исходящая из источника S0, падает на полупрозрачную пластинку 0, расположенную под углом 45' к направлению распространения луча. На пластинке волна разделяется на две части; отраженная волна идет в направлении к А2, а прошедшая через пластину – в направлении А1, После отражения от зеркал А1 и А2 они снова частично отражаются, а частично проходят через пластинку 0, Волны, распространяющиеся в направлении D, могут между собой интерферировать. Ясно, что на пластинке 0 происходит деление амплитуды, поскольку фронты волн на ней сохраняются, меняя лишь направление своего движения.
Билет №7
Дифракцией называется, огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле — любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики.
Принцип Гюйгенса — Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S.
Метод зон Френеля- взаимная интерференция вторичных волн.
М- произвольная точка ; S- точечный источник ;Ф- вспомогательная поверхность;
Амплитуда результирующего светового колебания в точке М
Площадь сферического сегмента
площадь m-й зоны Френеля